- 습한 환경 성능저하 원인 규명하고 강화제 첨가해 성능 개선 -

- 박상윤 교수, 기존 복사냉각 도료에 고분자 강화제 첨가해 상용화 허들을 제거하는 핵심기술 확보

페인트처럼 바르기만 해도 열을 식히는 ‘복사냉각 도료’ 상용화가 앞당겨질 전망이다. 특히 국내 연구진은 습한 환경에서 도료가 마를 때 냉각성능이 뚝 떨어지는 원인을 잡아내고 간단한 해결 방식을 제시해 주목된다.

한국연구재단은 경기대 박상윤 교수와 홍동표 박사, 유영준 박사 공동연구팀이 다공성 고분자 복사냉각 도료가 건조 습도의 증가에 따라 냉각성능이 급격하게 저하됨을 최초로 밝히고, 소량의 강화제를 첨가하는 방식으로 성능을 크게 개선했다고 밝혔다. 

다공성 고분자 복사냉각은 에너지를 사용하지 않고 빛의 흡수‧반사를 제어, 복사열을 내보내 온도를 낮추는 기술이다. 페인트 같은 도료에는 다공성 고분자 막을 형성하는 방식으로 연구가 진행 중이다.

전 세계 소비전력의 20%가 냉방에 사용되는 가운데 에어컨 같은 냉각 기기는 전력 소모가 커서 지구온난화 악순환을 초래한다.

복사냉각 기술은 태양광의 선택적 반사·흡수를 통해 열을 방출, 에너지가 필요 없는 친환경 냉각기술로 주목받고 있다. 

특히 페인트 형태의 복사냉각 도료에 다공성 고분자 막을 형성하면 큰 면적에 적용하기 좋고 값싸면서도 우수한 성능을 보인다. 하지만 기존에 개발된 다공성 고분자 복사냉각 도료는 도포하는 과정의 온·습도 등 환경조건에 따라 냉각성능 편차가 커 실외 적용이 어려운 등 한계가 뚜렷했다.

공동연구팀은 기존 다공성 고분자 복사냉각 도료의 성능이 습도의 증가에 따라 급격히 떨어지는 현상을 밝히고, 이에 대한 효과적인 해결책을 세계 최초로 개발했다.

기존 복사냉각 도료의 성능을 건조 습도에 따라 관측한 결과, 상대습도가 30% 넘어가면 성능이 크게 떨어지기 시작해 45% 이상에서는 오히려 복사발열 현상이 나타나는 것을 확인했다. 이 과정을 전자현미경으로 관측·분석한 결과 높은 습도에서 도료가 마를 때 기공이 편평해지고 크기가 작아지는 등 다공성 구조가 붕괴하면서 근적외선 영역에서 태양광 반사율이 크게 떨어짐을 규명했다. 

구팀은 기공구조 붕괴를 방지하기 위해 비표면적이 높고 소량의 첨가로도 구조 강도를 높이는 강화제인 흄드실리카를 이용, 고분자 매트릭스의 기계적 강도를 높여 구조 안정성을 개선했다.

흄드실리카를 첨가한 도료의 경우 상대습도 60% 이상에서도 기공구조 및 냉각성능이 유지됨을 확인했다. 이는 미국의 연평균 오후 습도를 기준으로 계상했을 때 적용 가능한 면적범위가 950% 증가한 것이다.

박상윤 교수는 “이번 연구는 기존 복사냉각 도료에 고분자 강화제를 첨가해 상용화 허들을 제거하는 핵심기술을 확보한 것”이라며 “미국, 중국을 중심으로 상용화에 집중하고 있는 상황에서 우리나라가 초격차를 이룰 수 있도록 산학연 협력이 필요한 시점”이라고 밝혔다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 5월 25일 온라인 게재되었다. 

(그림1) 종래기술의 고습건조시 성능저하와 개발기술의 구조안정성 및 성능일관성

종래기술의 다공성 고분자 복사냉각 도료의 경우 고습건조시 기공 구조가 붕괴되면서 태양광 반사율이 감소한다. 반면, 본 연구팀은 흄드실리카 첨가를 통해 개발도료의 구조 안정성과 성능 일관성을 크게 증대하였다.

그림설명 및 그림제공 : 경기대학교 박상윤 교수 (Nature publishing group copyright permission) 

(그림2) 흄드실리카 첨가를 통한 구조 안정성 확보 및 성능 일관성 개선 원리.

흄드실리카의 2차구조는 소량의 첨가로도 고분자 매트릭스 내에 3차원 매트릭스를 형성하여 효과적으로 기계적 안정성을 개선할 수 있다.

그림설명 및 그림제공 : 경기대학교 박상윤 교수 (Nautre publishing group copyright permission)